中微子實驗的過去、現(xiàn)在與未來
——2015年諾貝爾物理學(xué)獎解讀

陳少敏

(清華大學(xué)工程物理系；清華大學(xué)高能物理研究中心；輻射物理與成像教育部重點實驗室，北京 100084)

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特約稿件

中微子實驗的過去、現(xiàn)在與未來
——2015年諾貝爾物理學(xué)獎解讀

陳少敏

(清華大學(xué)工程物理系；清華大學(xué)高能物理研究中心；輻射物理與成像教育部重點實驗室，北京 100084)

中微子是目前粒子物理、核物理、地球物理與天體物理及宇宙學(xué)研究中的一個交叉熱門研究方向.2015年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2015年諾貝爾物理學(xué)獎授予梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麥克唐納(Arthur B.McDonald)，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩也就是中微子有質(zhì)量上所作出的貢獻.本文將從中微子物理發(fā)展歷史角度介紹中微子實驗的過去、當(dāng)前狀況及未來發(fā)展，尤其是通過側(cè)重對中微子振蕩實驗的介紹來解讀該獎項.最后，還介紹了國內(nèi)目前正在開展與擬議建設(shè)的中微子實驗.

中微子、中微子質(zhì)量、中微子振蕩、中微子實驗

2015年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2015年諾貝爾物理學(xué)獎授予梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麥克唐納(Arthur B.McDonald)(見圖1)，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩也就是中微子有質(zhì)量上所作出的貢獻.在其進一步的說明中還提到，來自日本的梶田隆章與加拿大的阿瑟·麥克唐納是兩個大型研究團隊——超級神岡實驗(Super Kamiokande)與薩德伯里中微子觀測站(SNO)的科學(xué)家.這兩個實驗證明了中微子可以改變它們的形態(tài)，而理論上這樣的形態(tài)改變要求中微子有質(zhì)量.這一發(fā)現(xiàn)改變了我們對物質(zhì)最深層次的認(rèn)識，并將證明對理解宇宙具有關(guān)鍵性的作用[1].對于普通讀者而言，為了理解這一發(fā)現(xiàn)，可以打個比方，人分為男性與女性.只要是一個現(xiàn)實世界的人(即有質(zhì)量)，那么當(dāng)你從生理學(xué)上判斷這個人性別的時候，會發(fā)現(xiàn)這個人有時呈現(xiàn)為男性，有時呈現(xiàn)為女性.進一步地，你還會發(fā)現(xiàn)這種變化還與這個人所處的物質(zhì)環(huán)境有關(guān)，這些也就是所謂的振蕩現(xiàn)象.最重要的是，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)生理學(xué)方法已經(jīng)不是一個好方法而需要用更高級的方法時，你的確通過各種振蕩實驗研究找到了新的方法(例如遺傳學(xué)方法)，而且用藉此建立起來的振蕩理論可以準(zhǔn)確預(yù)言這種人體性別形態(tài)變化隨時間的變化關(guān)系時，這是不是一件奇妙的事！如果此研究還可以揭開男、女比例失衡問題與未來走勢，這是不是更令你感到驚嘆！

圖1 日本東京大學(xué)宇宙線研究所梶田隆章教授(左)，加拿大女皇大學(xué)阿瑟·麥克唐納教授(右)

1 認(rèn)識中微子

中微子，中文又稱微中子，起名源自拉丁語：neutrino，其字面的意義為"電中性的微小粒子".中微子有多熱，打開百度搜索器會發(fā)現(xiàn)其英文與中文名下有近五百萬條的查詢結(jié)果.為什么中微子有如此高的關(guān)注度，本文將結(jié)合2015年諾貝爾物理學(xué)獎對中微子的相關(guān)物理與實驗進行詳述.

20世紀(jì)初，人類在3種放射性：α、β、γ射線中，只觀測到分立的α、γ射線能譜，但是β射線的能譜卻是連續(xù)的[2].由于核衰變是原子核不同量子能級之間的躍遷，因此，量子體系的能級分立性必然導(dǎo)致核衰變釋放出的能量也是分立的.在理解β射線的產(chǎn)生機制上，丹麥物理學(xué)家玻爾(Bohr)曾經(jīng)評論道：“在目前的原子理論中，可以說無論是從經(jīng)驗還是理論上都沒有理由堅持在β衰變過程中能量一定守恒.”由此可見當(dāng)時的物理學(xué)家對β射線連續(xù)能譜的困惑有多大.而中微子假設(shè)是1930年由奧地利物理學(xué)家泡利(Pauli)首先提出的，目的是為了保證β衰變過程中的能-動量守恒和角動量守恒[3].他認(rèn)為，中子作為一種大質(zhì)量的中性粒子在β衰變過程中變成了質(zhì)子、電子和一種質(zhì)量小的中性粒子，正是這種小質(zhì)量粒子將能量帶走了.泡利預(yù)言的這個竊走能量的"小偷"就是中微子，這也被稱為“絕望的泡利想法”.

中微子與其他物質(zhì)的相互作用極小，相互作用截面在10-40cm2左右.換句話說，一個中微子可以毫無阻攔地穿透一光年厚的鉛磚.自然界中的太陽、宇宙線、核電站，甚至地球內(nèi)部都能產(chǎn)生大量的中微子.一個熱功率為300萬kW的典型核電站反應(yīng)堆，每秒可以產(chǎn)生約6×1020個反電子中微子.

2 標(biāo)準(zhǔn)模型與中微子質(zhì)量

在粒子物理學(xué)理論中，物質(zhì)是由夸克、電子、中微子等基本粒子構(gòu)成(如圖 2 所示).在描述基本粒子相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子有3種類型，或者稱之為“味”，包括電子中微子、μ-中微子和τ-中微子(注：粒子物理中，“味”是用來描述夸克與輕子這些基本粒子的量子數(shù).輕子共有6種“味”，即電子數(shù)、μ-子數(shù)、τ-子數(shù)，電子中微子數(shù)、μ-中微子數(shù)及 τ-中微子數(shù).)到目前為止，通過正負(fù)電子對撞實驗確認(rèn)在中微子質(zhì)量限為 45GeV/c2以下沒有發(fā)現(xiàn)參與規(guī)范相互作用的第四種類型中微子[4].1957年的革命性實驗發(fā)現(xiàn)弱作用中宇稱不守恒[5]，并表明參與弱作用的中微子是純左手的(即中微子的自旋方向與其動量方向滿足左手法則)，沒有右手中微子[6].同年，李政道和楊振寧、朗道以及薩拉姆分別獨立提出了兩分量中微子理論，這意味著中微子只有左手分量并且質(zhì)量為零[7-8].在標(biāo)準(zhǔn)模型相互作用拉氏量的質(zhì)量項中，如果沒有右手中微子，則中微子的質(zhì)量項將不存在，也就是中微子的質(zhì)量為零，因此，中微子在標(biāo)準(zhǔn)模型中是嚴(yán)格無質(zhì)量的.實驗上任何發(fā)現(xiàn)中微子有質(zhì)量的證據(jù)將表明存在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理.

3 中微子振蕩

如果中微子有質(zhì)量，即使極小，其物質(zhì)波在傳播過程中會出現(xiàn)一種奇特的量子干涉效應(yīng)：中微子從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，即中微子的味道會發(fā)生改變.這種現(xiàn)象稱為中微子振蕩，是由意大利物理學(xué)家龐蒂科夫(Pontecorvo)在1957年首先提出的[9].1962年，日本物理學(xué)家Maki,Nakagawa,Sakata 在此基礎(chǔ)上對中微子振蕩理論進行了改進，使中微子的質(zhì)量本征態(tài)通過一個幺正矩陣(也就是中微子混合矩陣)變換到中微子的味本征態(tài)[10].

由于中微子只參與弱相互作用，其產(chǎn)生與探測均是以“味”的本征態(tài)來體現(xiàn)，即電子-(e)、μ-與τ-子中微子.但是，在描述中微子傳播的運動方程中，中微子的哈密頓量形式取決于其能量，從而與中微子質(zhì)量相關(guān).在簡單的兩種中微子味混合模型中，質(zhì)量本征態(tài)與味本征態(tài)可以通過一個轉(zhuǎn)動變化聯(lián)系起來.例如

混合的結(jié)果是通過弱作用產(chǎn)生一個給定味的中微子(例如式(1)中的電子中微子).隨著時間的演化，味本征態(tài)的波函數(shù)，如上式中，μ-子中微子的含時波函數(shù)表示為

|νμ(t)〉=-sinθe-iE1t|ν1〉+cosθe-iE2t|ν2〉=

(cos2θe-iE1t+sin2θe-iE2t)|νμ〉+

這樣，該給定味道的中微子將有一定的概率轉(zhuǎn)化成其他味道的中微子(例如式(2)中的μ-子中微子)，即出現(xiàn)振蕩效應(yīng).此時，味道沒有發(fā)生變化的中微子概率大小(例如電子中微子)為

P2ν(νe→νe)=1-P2ν(νe→νμ)=

推廣到3個中微子味道的混合模型，味本征態(tài)與質(zhì)量本征態(tài)的聯(lián)系可以表示為

此時的轉(zhuǎn)動變換矩陣可以化為由3個歐拉角θ12，θ23，θ13參數(shù)表示的矩陣，并且可能出現(xiàn)1個或3個相位角(δ，φ1，φ2)，這取決于中微子的屬性.對于中微子振蕩概率，例如電子中微子轉(zhuǎn)換到其他味道中微子的概率可以近似改寫為

顯然，如果中微子質(zhì)量不為零，并且三代中微子質(zhì)量本征態(tài)的本征值不相等，那么任意給定一個味本征態(tài)的中微子在傳播過程中，會因振蕩而轉(zhuǎn)化為其他味本征態(tài)的中微子.在實驗測量中，如果實驗裝置對其他味本征態(tài)不敏感，那么就會出現(xiàn)所謂的中微子“丟失”現(xiàn)象(如圖3所示的電子中微子振蕩現(xiàn)象).

圖3 中微子振蕩原理示意圖注：電子中微子“味”本征態(tài)產(chǎn)生時，是3種中微子質(zhì)量本征態(tài)的疊加.圖中不同的長條方塊表示相應(yīng)質(zhì)量本征態(tài)的概率大小.在傳播過程中，3種質(zhì)量本征態(tài)發(fā)生干涉，導(dǎo)致在觀測時發(fā)現(xiàn)部分電子中微子“味”發(fā)生了改變，轉(zhuǎn)換成μ與τ中微子，這就是中微子的振蕩效應(yīng).

和

這里

與電子密度Ne，費米耦合常數(shù)GF以及中微子能量Eν有關(guān).

4 中微子振蕩實驗

中微子雖然是為了解釋原子核β衰變中的β粒子連續(xù)能譜而引入的一個概念，但是證明其存在卻是在26年以后.美國物理學(xué)家柯溫(Cowen)與萊因斯(Reines)等人，利用來自反應(yīng)堆的反電子中微子與靶物質(zhì)中的質(zhì)子發(fā)生反β反應(yīng)產(chǎn)生出可以探測的正電子與中子，首次從薩凡納河(Savannah River)實驗中發(fā)現(xiàn)中微子存在的證據(jù)[13].在1956年6月14日，柯溫與萊因斯在給遠(yuǎn)在瑞士蘇黎世大學(xué)的泡利發(fā)電報說道：“很高興地通知你，通過觀測質(zhì)子的反貝塔衰變，我們肯定是探測到了來自裂變產(chǎn)物的中微子.所觀測到的截面與預(yù)期的6×10-44cm2符合得很好[14].”40年后，萊因斯由此獲得1995年諾貝爾物理學(xué)獎.

實驗上對中微子的探測均是通過與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)來實現(xiàn)的.最常用的是讓中微子與電子或核子(質(zhì)子與中子)發(fā)生相互作用，打出可以探測的帶電輕子(例如正負(fù)電子或μ-子)來完成.部分實驗還可以結(jié)合探測反沖的核子來確定正、反中微子類型.從運動學(xué)角度看，如果中微子的能量比打出的帶電輕子靜止質(zhì)量要大得多時，這些帶電輕子往往攜帶了原初入射中微子的方向信息.這樣從實驗上就可以實現(xiàn)對入射中微子的動量進行重建，從而達(dá)到研究中微子的目的.實驗上預(yù)期可以探測到的中微子事例數(shù)可以簡單估算如下

由于中微子反應(yīng)截面σν大約在10-40cm2左右，而一噸靶物質(zhì)所包含的靶原子數(shù)Ntarget在1030左右.因此，要想從實驗上得到足夠的統(tǒng)計量，要求入射中微子的流強Φν不能太低，實驗采集數(shù)據(jù)的時間T還要足夠長.對于一些流強較低的待研究中微子源(例如太陽中微子、地球中微子和超新星中微子)，還要設(shè)法增大靶體積，這就構(gòu)成了中微子實驗需要幾百乃至幾萬噸靶體積，以及幾年甚至十幾年二十年數(shù)據(jù)累積的獨特特點.

圖4 超級神岡實驗探測裝置示意圖

圖5 大氣中微子振蕩探測原理(左圖);各向同性的大氣中微子如果不發(fā)生振蕩在超級神岡探測器中，預(yù)期看到中微子事例數(shù)隨天頂角變化的分布圖(右圖)

歷史上關(guān)于中微子振蕩的實驗研究持續(xù)了幾十年，但從實驗測量的可靠性上看，首次確認(rèn)中微子振蕩現(xiàn)象當(dāng)屬超級神岡實驗(Super Kamiokande).如圖4所示，該實驗于1998年建在日本富山縣神岡町1千米巖石覆蓋的山體內(nèi)，利用擁有五萬噸純凈水的切倫科夫探測器，測量了大氣μ-中微子通量的大小隨天頂角(定義為中微子飛行方向與垂直地面指向地球中心方向的夾角)的變化關(guān)系.實驗原理如圖5(左圖)所示.如果大氣中微子是各向同性的，不考慮中微子振蕩，大氣中微子到達(dá)探測器的天頂角分布實際上就是其相空間的分布，即圖5(右圖)的分布.為了提高對中微子方向重建的精度，同時也為了避免原初高能大氣中微子振蕩到τ-中微子的干擾，實驗分析只研究能量為GeV左右的電子與μ-子的天頂角分布.實驗結(jié)果如圖6所示，通過觀察中微子反應(yīng)產(chǎn)生的電子(e-like)事例，大氣中的電子中微子只顯現(xiàn)出輕微的振蕩現(xiàn)象.但是，中微子反應(yīng)產(chǎn)生的μ-子(μ-like)則顯現(xiàn)出明顯的振蕩現(xiàn)象，出現(xiàn)了所謂的μ-中微子“丟失現(xiàn)象”.而且，該天頂角分布也和振蕩理論預(yù)期一樣隨能量的變化而發(fā)生改變，明顯表現(xiàn)出中微子的振蕩行為[15].

圖6 超級神岡實驗測得的電子與μ子天頂角分布注： 陰影部分為沒有中微子振蕩的預(yù)言分布；帶誤差的黑色點為實驗測量值；實線直方圖為中微子振蕩的理論預(yù)言分布

盡管如此，中微子振蕩現(xiàn)象被普遍接受應(yīng)該是在2000年以后，也就是在得到來自反應(yīng)堆中微子、太陽中微子以及加速器中微子實驗的獨立驗證以后.其中，同在日本富山縣神岡町的KamLAND實驗利用一千噸液體閃爍體探測器(如圖7所示)，通過探測反電子中微子與液體閃爍體中的質(zhì)子發(fā)生反β反應(yīng)，測量來自日本本土與韓國核電站反應(yīng)堆所產(chǎn)生的中微子通量隨傳播距離的變化關(guān)系，也發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)堆反電子中微子與大氣中微子一樣存在“丟失現(xiàn)象”[16].

而更具有決定性意義的是在加拿大安大略省薩德伯里(Sudbury)附近2千多米地下的Sudbury Neutrino Observatory(SNO)實驗(如圖 8所示).該實驗用一千噸重水做靶物質(zhì)來探測來自太陽的太陽中微子.在標(biāo)準(zhǔn)太陽模型中，太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)會產(chǎn)生大量的電子中微子.這些太陽中微子從太陽飛到地球與重水發(fā)生如下的3種反應(yīng)(如圖8(右)所示)：

圖7 KamLAND探測器示意圖(左圖).該實驗觀測到的反應(yīng)堆中微子事例數(shù)，在離反應(yīng)堆平均距離大約180km處，明顯低于沒有中微子振蕩假設(shè)情況下預(yù)言的事例數(shù)(右圖)

其中反應(yīng)I(也稱為帶電流過程)只對電子中微子敏感，反應(yīng)II(也稱為中性流過程)對3種味道的中微子都同樣敏感，反應(yīng)III(也稱為彈性散射過程)雖然對3種味道的中微子都敏感，但對電子中微子的敏感程度要比其他兩種味道的中微子要高5倍.根據(jù)運動學(xué)原理，對于能量較高的中微子，例如能量大于6 MeV的中微子，由于電子質(zhì)量僅有0.5 MeV/c2，因此，反應(yīng)末態(tài)中出射電子大多沿原來入射中微子的方向，也就是從太陽到地球的連線方向.該特點使得實驗上可以把反應(yīng)III從另外兩種反應(yīng)區(qū)分開來.對于反應(yīng)I與反應(yīng)II兩種模式的區(qū)分，實驗上是通過探測反應(yīng)I過程產(chǎn)生的電子與反應(yīng)II過程產(chǎn)生的中子來完成[17-18].顯然，如果太陽中微子的“丟失”完全是由于味道改變的中微子振蕩產(chǎn)生，那么從電子中微子轉(zhuǎn)換到其他兩種味道的中微子通量可以從反應(yīng)II模式中測量出來，從而從實驗上解決了因?qū)嶒瀸Σ煌兜漓`敏度不同而造成的“丟失”問題.該實驗不但觀測到過去幾十年所觀測到的太陽電子中微子的“丟失”現(xiàn)象，而且測量了已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)棣膛cτ兩種“味道”的太陽中微子通量之和與預(yù)期“丟失”的太陽電子中微子通量完全相符，從而完美地解決了長期困擾物理學(xué)界的太陽中微子“丟失”問題[19].

圖8 加拿大薩伯里中微子觀測站SNO實驗探測器示意圖(左圖)；太陽中微子在重水中的3個反應(yīng)過程示意圖(右圖)，它們分別為經(jīng)過帶電流過程(CC)，中性流過程(NC)，以及彈性散射過程(ES)

與上述實驗不同，日本的K2K(KEK-To-Kamioka)加速器中微子實驗，利用筑波高能物理實驗研究機構(gòu)(KEK)的加速器產(chǎn)生高能μ-中微子束流，經(jīng)過幾百米遠(yuǎn)的近點中微子探測器(如圖9所示)，射向250km之外放置在神岡(Kamioka)的超級神岡中微子實驗探測器.通過測量遠(yuǎn)近點中微子流強比來驗證大氣μ-中微子的振蕩現(xiàn)象，實驗結(jié)果與大氣μ-中微子結(jié)果一致[20].

圖9 日本加速器中微子K2K實驗近點探測器示意圖(左圖)；加速器產(chǎn)生的μ-中微子在閃爍體與水構(gòu)成的探測器陣列留下的反應(yīng)痕跡，長徑跡代表反應(yīng)產(chǎn)生的帶電μ-子，短粗徑跡代表反沖的質(zhì)子(右圖)

這些中微子振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與證實，明白無誤地展現(xiàn)了中微子有質(zhì)量這一超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理.2002年，在紐約大學(xué)石溪分校舉行的“中微子與超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理”研討會上的開幕致辭中，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧先生講道：“我過去不相信中微子振蕩，這一信念甚至在戴維斯(Davis)艱苦的工作與巴考(Bahcall)細(xì)致的分析以后都沒有改變過.現(xiàn)在，對于接下來幾天我們將要聽到的漂亮實驗報告，我不得不舉雙手投降，并接受中微子振蕩這一現(xiàn)實.”

5 中微子混合角θ13

在2012年以前，中微子振蕩這一實驗事實是否可以在三代中微子振蕩理論框架中很好地描述依然存在疑問.其中最主要的原因是在中微子混合矩陣中，用以描述第一與第三代中微子類型之間轉(zhuǎn)化的混合角θ13，由于其太小在2012年以前尚未有直接的實驗測量值.而且，從已有實驗的測量值上看(見圖10)，夸克混合矩陣的近似對角分布表明三代夸克之間的相互轉(zhuǎn)換概率較小，這一點與中微子的情況完全不同.而在現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，當(dāng)所有費米子(包括中微子與夸克)和玻色子質(zhì)量為零時，弱相互作用、電磁相互作用與強相互作用將具有基本的相似性.實驗觀測的中微子與夸克混合矩陣如此不同到底是什么原因造成的還依然是個謎.對于θ13的可能取值，一方面基于輕子味物理或大統(tǒng)一理論，對sin2θ13的大小有上百個理論模型預(yù)言，范圍在10-5與10-1之間[21].因此，實驗的精確測量可以對這些理論模型進行有效的檢驗.另一方面，該角度在中微子混合矩陣中，與體現(xiàn)中微子部分可能存在的電荷-宇稱破缺項耦合在一起.太小的角度將直接影響到未來對該破缺項測量的實驗規(guī)劃，而中微子的電荷-宇稱破缺是理論上認(rèn)為有可能揭開自然界反物質(zhì)消失之謎的關(guān)鍵.

圖10 三代夸克混合矩陣(左圖)與三代中微子混合矩陣(右圖)注： 方塊大小表示矩陣元的相對大小.2012年大亞灣反應(yīng)堆發(fā)表測量結(jié)果以前，中微子混合矩陣右上方的矩陣元仍然未知

2012年3月8日，中國廣東大亞灣核反應(yīng)堆中微子實驗國際合作組向世界宣布，在離大亞灣核反應(yīng)堆約1.7km的位置，發(fā)現(xiàn)有大約6%的反電子中微子失去了蹤跡(見圖11)[22].實驗結(jié)果sin22θ13= 0.092±0.017，完全超出了當(dāng)時人們的想象.這個結(jié)果在一個多月后，又被韓國的RENO實驗和法國的Double-Chooz實驗[23-24]證實.這種由第一代與第三代中微子質(zhì)量本征態(tài)所引起的振蕩，在過去的中微子實驗中并沒有直接觀測到.因此，大亞灣實驗的結(jié)果可以說是將三代中微子的三種振蕩格局最終正式建立起來，把中微子振蕩證據(jù)鏈上的最后一個環(huán)節(jié)補齊了，從而把梶田隆章和阿瑟·麥克唐納送上了2015年諾貝爾物理學(xué)獎的獎臺.

圖11 大亞灣核反應(yīng)堆中微子實驗近點、遠(yuǎn)點探測器設(shè)置示意圖(左圖)；實驗觀測到的反應(yīng)堆中微子事例數(shù)，在離反應(yīng)堆平均距離大約500m和1.7km處，明顯低于沒有中微子振蕩假設(shè)情況下預(yù)言的事例數(shù)(右圖)

6 中微子質(zhì)量與排序

中微子振蕩的確立雖然明白無誤地表明中微子有質(zhì)量，但是正如中微子振蕩概率公式所表現(xiàn)的那樣，實驗對振蕩的研究只能給出中微子質(zhì)量本征態(tài)之間的質(zhì)量平方差的絕對值，無法給出中微子的絕對質(zhì)量以及3種類型中微子質(zhì)量大小的排序，產(chǎn)生了所謂的3種類型中微子質(zhì)量正排序(Normal Hierarchy)與逆排序(Inverted Hierarchy)問題.非但如此，振蕩實驗也無法回答中微子的屬性問題：是左手狄拉克(Dirac)中微子，還是左右手不分的馬約拉納(Majorana)中微子.國際上各地下實驗室都在計劃新的實驗，希望能從有雙β衰變的同位素衰變能譜中，尋找到可能存在的無中微子雙β衰變的證據(jù)，以判斷到底是狄拉克型中微子還是馬約拉納型中微子.

中微子有質(zhì)量不僅對粒子物理研究意義重大，對宇宙學(xué)研究方面也具有深遠(yuǎn)的意義.一般認(rèn)為，在誕生宇宙的大爆炸中，產(chǎn)生了同等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，但兩者性質(zhì)完全不同，反物質(zhì)幾乎全部消失而僅剩正物質(zhì)形成了現(xiàn)在的宇宙.盡管2008年獲得諾貝爾物理學(xué)獎獲得者小林誠和益川敏英，發(fā)現(xiàn)了預(yù)言自然界中至少存在三代夸克破缺對稱性的起源.但是，已觀測存在于夸克混合中的電荷-宇稱破缺強度仍解釋不了宇宙形成之迷.按目前一般的看法認(rèn)為這可能與中微子的特性有關(guān).目前流行的理論方案認(rèn)為，宇宙反物質(zhì)消失之謎與可能存在的超大質(zhì)量右手中微子及其包含的電荷共軛-宇稱破壞有關(guān)，因為宇宙在演化過程中，隨著溫度的降低，導(dǎo)致了右手中微子衰變過程的不可逆，從而使產(chǎn)生的正反物質(zhì)差額遺留下來.在正統(tǒng)的“翹翹板(seesaw)機制”里，右手中微子的超大質(zhì)量跟普通左手中微子的微小質(zhì)量成反比關(guān)系，這也同時解釋了中微子質(zhì)量為什么如此小的疑惑.雖然目前一段認(rèn)為中微子不足宇宙中物質(zhì)的1%，但它們卻是宇宙模型的重要組成部分.在關(guān)于神秘的暗物質(zhì)的所有假想中，中微子是迄今為止唯一能夠證明暗物質(zhì)實際存在的粒子.目前通過β能譜直接測量出的反電子中微子質(zhì)量上限為 2.3eV/c2(95%置信水平).而通過宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)超新星與銀河系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，有研究表明各種類型中微子的質(zhì)量和不大于0.66eV/c2(95%置信水平).由此可見，小小的中微子的確有可能如“翹翹板機制”所啟示的，翹起了浩瀚的宇宙！

7 中微子的未來

盡管中微子概念的提出至今已經(jīng)整整85周年，而且從1998年實驗首次證實中微子的振蕩現(xiàn)象，揭示了中微子具有極微小的質(zhì)量以來，這一不符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的事實已經(jīng)困惑了物理學(xué)家多年，隱藏在中微子質(zhì)量背后的物理至今依然沒有確定下來.超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的猜測大量發(fā)表在各類物理期刊上，每年在標(biāo)題中含“中微子”的論文有1000篇左右，需要實驗的檢驗與證實.正如理論物理學(xué)家斯密爾諾夫(Smirnov)于2009年在法國舉行的第21界“宇宙之窗”布洛瓦大會上所說的：“從發(fā)現(xiàn)中微子有質(zhì)量至今已經(jīng)11年了.盡管在理論與實驗上做了大量的工作，但是，隱藏在中微子有質(zhì)量背后的物理依然沒有確定下來.它應(yīng)該是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的一些新物理，可以是許多年前提出的老的新物理，需要理論的詳細(xì)研究，也可以是目前提出的新物理，或是一些我們沒有想到過的”.

除了中微子特性方面的物理以外，在天體物理方面，對來自宇宙的中微子探測也是一項具有深遠(yuǎn)意義的研究.最著名的例子就是太陽中微子的研究，通過研究太陽中微子，理論上已經(jīng)掌握了太陽內(nèi)部是如何反應(yīng)的，確立了標(biāo)準(zhǔn)太陽模型.近年來實驗觀測到極高能量的宇宙線，其能量達(dá)到了1020eV以上，宇宙線是如何獲得如此高的能量的？這些宇宙線源自何處？這些疑問雖然都不易解答，但是作為宇宙信使的中微子，由于產(chǎn)生高能宇宙線的同時，也會伴隨高能中微子的產(chǎn)生，而且中微子的特征表明其飛行路線不會受到星系磁場的影響，因此，從中微子的飛行方向可以反推中微子源的方向，進而理解極高能量宇宙線的來源.在另一方面，中微子也是宇宙演化的積極參與者.它們是β衰變的重要副產(chǎn)品，而β衰變除了會加熱恒星爆炸的殘骸與行星內(nèi)部以外，更是恒星核融合反應(yīng)的重要步驟.大質(zhì)量恒星在生命盡頭會發(fā)生內(nèi)爆，所產(chǎn)生的超新星主要有兩種類型，而中微子對其中一種的生成扮演了關(guān)鍵性的角色.內(nèi)爆將恒星核心壓縮成核子般的密度，并在10～15s內(nèi)釋放出1058個中微子.這些中微子帶走整個過程釋放出1046J能量的99%.因此，用中微子來觀測超新星爆發(fā)，就可以看到普通望遠(yuǎn)鏡錯失的星球內(nèi)部反應(yīng)圖像，其中包括了關(guān)鍵的早期演化過程.對1987年著名的超新星中微子爆發(fā)觀測，就是由設(shè)在日本的神岡中微子探測器與設(shè)在美國的IMB(Irvine-Michigan-Brookhaven)中微子探測器來完成的[25，26].通過對超新星中微子能譜隨到達(dá)地球時間的變化，科學(xué)家確立了恒星塌縮的基本理論.由于上述兩個探測器僅為千噸級水質(zhì)期倫科夫探測器，統(tǒng)計量較少，而目前的探測器達(dá)到了萬噸量級(如超級神岡探測器)，因此，高精度、大統(tǒng)計量的測量能力將為下一次超新星事例的爆發(fā)提供精確的恒星塌縮、反彈及爆炸的即時動態(tài)圖像.

即使對人類賴以生存的地球，通過探測來自地殼、地幔，甚至可能在地心的中微子，還可以提供地球科學(xué)研究中采用常規(guī)手段所看不到的信息.這是因為地球中微子測量可以回答(1)行星中的鉀/鈾含量之比值；(2)放射性生成熱對地球熱流的貢獻；(3)地幔中放射性熱源的分布；(4)地核中是否存在放射性元素；(5)地核與地幔邊界的形態(tài)[27].因此，由地球內(nèi)部的放射性元素產(chǎn)生的地球中微子可以作為一種新型的探針研究地球，推動對21世紀(jì)地球科學(xué)研究十大科學(xué)問題研究[28].在此方面日本的KamLAND實驗可以說是捷足先登.通過對來自地球內(nèi)部，能量在2.6MeV以下，由鈾和釷通過級聯(lián)衰變產(chǎn)生的中微子進行探測，該實驗首次探測到了地球中微子，文章于2005年發(fā)表在著名的《自然》雜志上，開拓了中微子地質(zhì)學(xué)的研究領(lǐng)域[29].

8 未來中國的中微子實驗

房地產(chǎn)領(lǐng)域有一句名言“Location！Location！Location！”用以表示房地產(chǎn)投資的黃金法則.然而對于中微子實驗而言，這句在房地產(chǎn)領(lǐng)域?qū)以嚥凰拿砸餐瑯舆m用.正在建設(shè)的廣東江門地下中微子實驗站(JUNO)，正是利用了正在建設(shè)的廣東臺山與陽江兩個核電站熱功率大，相距不遠(yuǎn)，而把中微子探測器放置在距兩個核電站恰好都是50km的江門，剛好處在反應(yīng)堆中微子丟失概率最大的地方.而且，這個地方剛好有一個200多米高的山，只要實驗放置在山下700m處，就可以較好地屏蔽宇宙線誘發(fā)產(chǎn)生的放射性本底，實現(xiàn)對中微子質(zhì)量排序的測定.更值得一提的是，在四川西昌市附近的錦屏山，以清華大學(xué)和二灘水電站共同建設(shè)的中國錦屏地下實驗室，由于擁有2500m的巖石覆蓋層而成為目前世界上埋深最大的地下實驗室.在地理位置、隧道巖石覆蓋和縱深、宇宙線本底、巖石放射性、反應(yīng)堆中微子本底、地殼中微子貢獻與太陽中微子穿過地球路程等方面，在錦屏開展對于1～100MeV能段的中微子研究將具有國際上其他地下實驗室不可比擬的優(yōu)勢.如果建設(shè)千噸級以上的中微子探測器，預(yù)計可以在地球中微子、太陽中微子、超新星中微子與暗物質(zhì)尋找等方面具有不可預(yù)見的未來發(fā)現(xiàn)潛力(如圖12所示，正在提議并進行預(yù)先研究的錦屏中微子實驗示意圖).

圖12 正在提議的千噸級錦屏中微子實驗示意圖

9 結(jié)語

物理研究中，沒有一個研究能夠像中微子研究一樣，能夠把粒子物理、核物理、地球物理、天體物理與宇宙學(xué)多個學(xué)科方向緊密地聯(lián)系在一起.但是，由于中微子探測的長期性、復(fù)雜性與艱巨性，使得相關(guān)中微子實驗研究通常會遇到許多技術(shù)方面的挑戰(zhàn)而進展緩慢.通常情況下，一個中微子實驗從預(yù)研，到開始實驗取數(shù)，再到發(fā)表最終的物理結(jié)果，往往需要長達(dá)10年的周期.清華大學(xué)校友，美國杜克大學(xué)物理系的高海燕教授，在一次參加與來清華訪問的美國能源部官員的見面會上，曾經(jīng)與筆者開玩笑說：“完成一項中微子實驗所需的時間與完成一項電磁相互作用研究所用的時間之比，與電磁相互作用強度和弱相互作用強度之比是一個量級”.這與目前存在于許多行業(yè)的快餐文化可以說是格格不入.諾貝爾物理學(xué)獎獲得者李政道先生曾說過：“在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國錯過了經(jīng)典力學(xué)的17世紀(jì)，錯過了電磁學(xué)的18、19世紀(jì)，錯過了相對論和量子力學(xué)的20世紀(jì)，絕不能再錯過21世紀(jì).”因此，對于從事中微子實驗基礎(chǔ)研究各位同行來說是任重道遠(yuǎn)，應(yīng)該具有諾貝爾物理學(xué)獎獲得者丁肇中先生所提倡的“格物致知”精神，并以此共勉.

[1] 諾貝爾獎官方網(wǎng)站www.nobelprize.org.

[2] Chadwick J，The intensity distribution in the magnetic spectrum of beta particles from radium(B + C)[J].Verh.Phys.Gesell,16(1914),383-391.

[3] Pauli,W.Dear radioactive ladies and gentlemen[J].Phys.Today 31N9(1978)27.

[4] ALEPH ,DELPHI ,L3 ,OPAL and SLD and LEP Electroweak Working Group and SLD Electroweak Group and SLD Heavy Flavour Group Collaborations(Schael,S.et al.).Precision electroweak measurements on the Z resonance[J].Phys.Rept.427(2006)257-454 hep-ex/0509008 SLAC-R-774.

[5] Wu C S,Ambler E,Hayward R W,et al.Experimental test of parity conservation in β decay[J].Physical Review ,1957,105(4):1413-1415.

[6] Goldhaber M,Grodzins L,Sunyar A W,Helicity of neutrinos[J].Phys.Rev.，1958,109(3),1015-1017.

[7] Lee T D,Yang C N.Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino[J].Physical Review,1957,105(5):1671-1675.

[8] Salam A.On parity conservation and neutrino mass[J].IL Nuovo Cimento,1957,5(1):299-301.

[9] Pontecorvo B.Mesonium and antimesonium[J].Sov.Phys.Jetp.1958，6(2)： 429.

[10] Maki Z,Nakagawa M,Sakata S.Remarks on the unified model of elementary particles[J].Progress of Theoretical Physics,1962,28(5):870-880.

[11] Mikheev S P,Smirnov A Y.Resonant amplification of neutrino oscillations in matter and solar-neutrino spectroscopy[J].IL Nuovo Cimento C,1986,9(1):17-26.

[12] Wolfenstein L.Neutrino oscillations in matter[J].Physical Review D,1978,17(1):2369-2374.

[13] Cowan Jr.C.L,Reines F,Harrison F B,et al.Detection of the free neutrino:A confirmation.[J].Science,1956,124(3212):103-104.

[14] Cooper N G.Celebrating the neutrino.Los Alamos Science,1997(25).

[15] Fukuda Y,Hayakawa T,Ichihara E,et al.Erratum:Measurements of the solar neutrino flux from super-kamiokande’s first 300 days[J].Physical Review Letters,1998,81(19):4279-4279.

[16] Eguchi K,et al.，KamLAND Collaboration,.First results from KamLAND:Evidence for reactor anti-neutrino disappearance[J].Phys.Rev.Lett.,90(2003)021802.

[17] Ahmad Q R,et al.SNO Collaboration.Measurement of the rate of νe+d→p+p+e? interactions produced by 8B solar neutrinos at the sudbury neutrino observatory[J].Phys.Rev.Lett.87(2001),071301.

[18] Ahmad Q R,et al.SNO Collaboration.Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory[J].Phys.Rev.Lett.89(2002),011301.

[19] Bachcall J N,Serenelli A M,Basu S.Astrophys.J.Supp.165,400(2006).

[20] Collaboration K,Ahn M H.Measurement of neutrino oscillation by the K2K experiment[J].Physical Review,2006,74(7):388-388.

[21] Albright C H，Overview of neutrino mixing models and their mixing angle predictions [J].AIP Conf.Proc,1222,98(2010).

[22] An F P,Bai J Z,Balantekin A B,et al.Observation of electron-antineutrino disappearance at daya day[J].Physical Review Letters,2012,108(17):1759-1761.

[23] Ahn J K,Chebotaryov S,Choi J H,et al.Observation of reactor electron antineutrinos disappearance in the reno experiment[J].Phys.rev.lett,2012,108(19):1952-1954.

[24] Abe Y,et al.Double-Chooz Collaboration.Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment[J].Phys.Rev.Lett.108(2012),131801.

[25] Hirata K,Kajita T,Koshiba M,et al.Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A.[J].Physical Review Letters,1987,58(14):1490-1493.

[26] Bionta R M,et al.IMB Collaboration.Observation of a neutrino burst in coincidence with supernova SN 1987a in the large magellanic cloud[J].Physical Review Letters,1987,58 1494.

[27] Sramek O,et al.Geophysical and geochemical constraints on geoneutrino fluxes from Earth's mantle[J].Earth Planet.Sci.Lett.361(2013)356-366.

[28] 鄭軍衛(wèi),張志強,趙紀(jì)東.21世紀(jì)地球科學(xué)研究的重大科學(xué)問題[J].地球科學(xué)進展,2008,23(12):1260-1267.

[29] Araki T ,Enomoto S ,Furuno K ,et al.Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND[J].Nature,2005,436(7050):499-503.

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PAST,PRESENT AND FUTURE OF NEUTRINO EXPERIMENTS——INTERPRETATION OF THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2015

Chen Shaomin

(Department of Engineering Physics,Tsinghua University;Tsinghua High Energy Research Center;Key Laboratory of Particle &Radiation Imaging,Ministry of Education,Beijing 100084)

Recently,the topic on neutrinos has become a hot interdisciplinary research direction among particle physics，nuclear physics，geophysics，astrophysics and cosmology.On October 6,2015，the Royal Swedish Academy of Sciences awarded the Nobel Prize in Physics jointly to Takaaki Kajita and Arthur B.McDonald for the discovery of neutrino oscillations,which in turn proved that neutrinos have mass.From the view of development of neutrino physics，this article introduces neutrino experiments from the past to the present and the future outlook.Special focus is given to neutrino oscillation experiments for the interpretation of the prize.The ongoing and proposed neutrino experiments in China are also described.

neutrino； neutrino mass； neutrino oscillations； neutrino experiments

2015-10-10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)課題“大亞灣中微子實驗的物理研究”(編號：2013CB834302)；國家自然科學(xué)基金重點項目“低能反電子中微子的實驗研究”(編號：11235006).

陳少敏，男，教授，主要從事粒子物理實驗方向的研究工作.chenshaomin@mail.tsinghua.edu.cn